基于Cortex-M3的 STM32微控制器處理先進(jìn)電機控制方法

基于Harvard架構，這個(gè)32位RISC采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。對比純32位代碼，這個(gè)指令集能夠大幅提高代碼密度，同時(shí)保留原有ARM7指令集的多數優(yōu)點(diǎn)（附加優(yōu)化的乘加運算和硬件除法指令）。

電機控制系統要求微控制器須具備卓越的實(shí)時(shí)響應性（中斷延時(shí)短）、純處理功能（如單周期乘法）以及優(yōu)異的控制性能（當處理非序列執行流和條件轉移指令時(shí)）。Cortex-M3能夠滿(mǎn)足所有這些要求。例如，當時(shí)鐘頻率是72MHz時(shí)，在25µs內對一個(gè)永磁電機完成一次無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制，這相當于在10 kHz采樣率下25% 的CPU負荷。

在STM32微控制器內，該內核與意法半導體優(yōu)化型閃存接口緊密配合，只需增加很少的外部元器件，周邊外設即可處理外部事件（圖2所示是STM32F103中容量微控制器的結構框圖)。不用說(shuō)，PWM定時(shí)器和模數轉換器是最重要元器件。PWM定時(shí)器包括最先進(jìn)的功能，如中央對齊模式PWM信號生成和死區時(shí)間插入邏輯，特別強調安全性:該模塊直接控制功率開(kāi)關(guān)換向，可控開(kāi)關(guān)功率達到數千瓦。例如，用于配置某些重要參數的寄存器代碼可以被鎖保護，以防軟件失效。只要“緊急停止”引腳被拉低，所有的 I/O引腳都被置于用戶(hù)可配置的安全狀態(tài)。這個(gè)功能設計采用組合邏輯模塊，當主時(shí)鐘（晶體）失效時(shí)，內部切換到后備振蕩器之前，可確保保護電路仍然能夠正常工作。最后，該微控制器還包含一個(gè)第4比較通道，專(zhuān)門(mén)用于觸發(fā)模數轉換器，實(shí)現最佳的電流測量精度。

圖 2：STM32F103中容量微控制器結構框圖

即使最復雜的算法幾乎也無(wú)法修正不精確的模擬測量值，但是，在某種程度上，電機驅動(dòng)系統的總體性能取決于模數轉換器的質(zhì)量。STM32F103芯片內置三個(gè)采樣率為1MSps的12位模數轉換器，在整個(gè)溫度和電壓范圍內，總不可調整誤差 (TUE)低于5 LSB。模數轉換器的數字接口有三個(gè)主要功能：首先，使CPU擺脫簡(jiǎn)單控制任務(wù)和數據處理；其次連接芯片的其余部件（中斷請求、DMA請求、觸發(fā)輸入）；最后，使STM32的多路轉換器同步操作。在這些對無(wú)刷電機控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發(fā)生器。對比傳統的掃描電路（按照模擬輸入序號，按序轉換一定數量的通道）， 在一個(gè)16個(gè)轉換通道組成的順列（例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11）內，序列發(fā)生器可按任何順序轉換通道，當設計人員在設計印刷電路板時(shí)，這個(gè)功能給設計人員帶來(lái)更高的設計靈活性，為實(shí)現平均轉換目的，準許對同一通道進(jìn)行多次采樣（在一個(gè)序列內），當整個(gè)序列轉換完畢后，DMA通道將轉換結果送到RAM，中斷處理程序產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。

在檢測電機相位電流的過(guò)程中，瞬變電壓在功率開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生的噪聲（在離線(xiàn)開(kāi)關(guān)應用中，典型噪聲達到幾百個(gè)V/µs）是引起讀取誤差的一個(gè)重要原因，可能導致測量結果的信噪比非常低。解決方案是使模數轉換器與控制功率級的定時(shí)器同步：因為換向時(shí)刻可以預定（由3 PWM定時(shí)器的比較寄存器定義），所以可以使用一個(gè)額外比較通道在換向時(shí)刻稍前或稍后觸發(fā)模數轉換操作。基于這個(gè)原因，STM32啟用了第二個(gè)序列發(fā)生器（又稱(chēng)注入序列發(fā)生器），該序列發(fā)生器的優(yōu)先級高于正常序列發(fā)生器，可以用一個(gè)不能延遲的新轉換操作使當前的轉換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負責“內部管理”轉換，連續檢測溫度或直流總線(xiàn)電壓（作為后臺任務(wù)），然后通過(guò)DMA通道發(fā)送到RAM，而注入序列發(fā)生器則將處理時(shí)間關(guān)鍵的轉換操作，并將轉換結果存儲在模數轉換器寄存器（將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，但是不能接受延時(shí)）。